蓄电池巡检仪硬件电路设计

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1、31摘 要在各个大型电站或其他行业之中，直流电源屏和UPS电源系统对维持电力系统的稳定性有着十分重要的意义。而及时的发现失效电池对保持直流电源屏的正常工作起着关键的作用。本次毕业设计论文主要是使用MCS-51系列单片机中的一种AT89C4051对蓄电池巡检仪的硬件电路和软件编制做出初步的设计.本次设计采用AT89C4051作为CPU，辅以三态缓冲器74HC244来读取并储存蓄电池组的站号，通过对电池不断的测量，如果上位机的发出的站号与电池的站号一致，那么测量值就可以发向上位机。而蓄电池的模拟信号的采集主要通过TLC549 A/D转换芯片来实现。数据通过光藕隔离和上位机通讯，在一定的召唤和应答规

2、约之下通过RS485通讯端口便可以与PC机交换数据或与其他网络相连实现远程遥测的功能。本篇论文采用PROTEL99软件来实现硬件电路的设计，软件采用C语言编程。关键词：三态缓冲，数模转换，异步通讯, 规约 AbstractThe DC Power Supply and Uninterruptable Power System often play a key role in maintaining the safety of large electrical equipment in Power Plant or other Transmission Substation. So Detect

3、ing the Batteries, which are in bad working condition, immediately seems very meaningful and so often is.This thesis mainly concentrates on the application of one kind of chip-AT89C4051 in MCS-51 family. In my thesis, I use the At89c4051 to design the theoretic map of measuring hardware and peripher

4、ies. Meanwhile, I further the discussion of software with C programmable language. In my thesis, I choose At89c4051 as the Central Process Unit accompany with Tri-State Buffer 74HC244 which is used to collect the code of the battery. In most of occasion, the upper control computer send the code of t

5、he battery in order to select the battery which we want to measure, at the same time, the measuring part could receive the signal. If the code accord exactly with protocol which is made by us, the measuring part start to upload the measuring result to the upper control computer. In this situation we

6、 use Serial Interface (RS485) to communicate with remote control unit or other PC through optical-Segregation in order to carry out the Long Distance Measurement. This thesis use Protel 99 as main designing tool to achieve hardware design and C programmable language to accomplish software design.Key

7、words: Tri-State Buffer A/D Converter Asynchronous Communication Protocol 第一章 概述第一节：蓄电池在电力行业中的运用直流操作电源系统是变电站、发电厂不可缺少的二次设备。该系统由整流电源和蓄电池组组成。在正常情况下，整流电源为变电站、发电厂内直流设备供电，同时给蓄电池组充电，保证蓄电池处于满容状态。当发生交流停电时，蓄电池组放电，保证直流设备不会停电。目前在电力系统广泛使用的是阀控式密封铅酸蓄电池。随着变电站等级的提高，蓄电池的容量呈递增状态，而蓄电池的费用也呈递增曲线。尤其是500kV变电站及发电厂用的直流操作电源系统

8、，蓄电池组在整套设备的费用比重会远远大于整流电源所占费用比重。因此蓄电池的维护成为非常重要的问题。测量蓄电池品质最直观的办法就是测量蓄电池的端电压，其能直接反映蓄电池的过充和欠充。为了及时得到每节蓄电池的情况，并且减少维护的工作量（目前电力系统正在大力推行变电站无人值守），在较为重要的变电站，特别是110kV以上等级的变电站及发电厂的直流操作电源系统中大多要求配置蓄电池检测装置。阀控式密封铅酸蓄电池以2V为基本单元，大容量的蓄电池均采用2V/节，小容量的为内部6个单元串联，构成12V/节，也有些较少的品牌采用6V/节。我国变电站内部直流设备通常为220V/110V，220V的直流操作电源需配置

9、18/19节12V蓄电池或103108节2V蓄电池，110V的直流操作电源以次类推。蓄电池头尾串联，最后与整流器的输出并联。 通信电源系统与直流操作电源系统类型相似，也是由整流器和蓄电池组组成，只是其输出电压为-48V（其正端与大地相连），对应输出电压，蓄电池组由4节12V或24节2V蓄电池串联而成。对于重要的系统，特别是无人值守的通信基站，为蓄电池组配置蓄电池测试仪也成为一种趋势。第二节：传统的蓄电池巡检仪为检测单节蓄电池电压，要在蓄电池两极引出采样线。例如：18节蓄电池一一串联组成蓄电池组，则要引出19根采样线；若是108节蓄电池组成蓄电池组，则需要109根采样线。目前应用比较普及的蓄电池

10、测试仪采用巡检方式，通过端子接入采样线，如下图所示。+ 整流器 -蓄电池测试仪采样线端子蓄电池测试仪内部单片机控制继电器逐一切换，将每节电池分别与单片机测量系统共地相连，从而测得单节蓄电池端电压。蓄电池测试仪通过串行通讯口将数据传至直流操作电源微机监控装置，便于操作人员观察、记录，还可与直流操作电源系统其它信息一起再传给变电站综合自动化后台装置，直至电力系统主站。采用巡检方式的蓄电池测试仪的优点是造价低廉，但缺点也很明显，主要有以下几点：1） 现场连接线太多，尤其是采用2V蓄电池时，要连接大量的采样线；2） 连接采样线有一定危险性。由于采样线是通过端子接入单片机系统，而考虑到体积和成本，相邻接

11、线点距离很近；蓄电池采样线是带电作业，连接蓄电池具有一定危险性，而长距离连接蓄电池采样线，尤其是采样线数量较多，不易分辨其顺序，不但操作任务较重，发生事故的机率也高；3） 可靠性低。蓄电池测试仪从直流母线上取电作为装置输入电源，若受到强电干扰，有可能造成某一时刻一节以上继电器动作，则蓄电池会通过采样线形成短路；4） 寿命受采样频率影响。目前较好品牌的继电器的切换次数多为105106次， 若切换频率较高，会影响继电器进而整个装置的使用寿命，因此采用巡检方式的蓄电池测试仪均以加大继电器切换时间来延长装置寿命，但这样会造成数据更新周期偏长。第三节：新型蓄电池巡检仪新型蓄电池智能测试装置由若干测试单元

12、组成，工作时每节蓄电池配置一块测试单元，测试单元内置单片机，以单节蓄电池作为其电源输入，通过电路将蓄电池电压变换成单片机工作电压，同时单片机通过自带的AD测试出蓄电池端电压。测试单元通过跳线对应唯一通讯站号，上位机通过隔离的485总线，带站号分别召唤每个测试单元，获得每个蓄电池的端电压数据。根据铅酸蓄电池的电压级别，测试单元分为2V和12V两种。两者原理基本一致，2V的测试单元要通过升压电路，将蓄电池端电压升到单片机的工作电压；而12V的测试单元则通过降压电路，将蓄电池端电压降到单片机的工作电压。 与传统的蓄电池巡检装置相比：新型蓄电池智能测试装置有以下几个优点：1） 其测试单元尺寸很小，并且

13、以每节蓄电池端电压作为其输入电源，因此可就近连线，甚至置于蓄电池表面。与蓄电池一一对应，连接线的危险性大大降低，只要注意正负即可；2） 根据蓄电池节数配置测试单元，通用于直流操作电源和通信电源。目前直流电源系统，包括直流操作电源和通信电源均配置微机监控装置，其装置也多配有RS485通讯口，若其使用合适的RS485驱动芯片，最多可支持256个通信节点，则测试单元可直接作为若干通讯节点接入该通讯口的485总线，单节蓄电池端电压数据直接进入上一级监控装置，进一步节省资源；3） 由于不采用继电器切换方式，不但使用寿命长，而且每个测试单元同时工作，数据更新速率取决于上位机召唤频率，数据刷新率大幅度提高。

14、4） 测试单元通过端子上485总线，与上位机只有两根通讯线相连，取代了传统蓄电池巡检装置的大量采样长线，现场清爽，走线方便，如下图所示；+ 整流器 -上位机系统485总线测试单元测试单元测试单元测试单元AB 本次设计主要以ATMEL公司的AT89C4051为CPU，辅以74HC244，TLC549，MAX756等芯片来实现针对2V蓄电池的蓄电池测试单元的测量以及通讯。 下面的章节将会对各种芯片结构和原理，和硬件电路的设计进行分别详细阐述。第二章 硬件电路的核心芯片第一节 ATMEL系列的AT89C4051 AT89C4051是一种8位的，4K FLASH闪存，128BIT RAM的CPU一）

15、基本特征2） 具有MCS-51系列产品的基本功能3） 2.7V-6V的工作电压4） 双基准内存锁存器5） 15根可编程的I/O线6） 6个中断源7） 直接LED的输出驱动8） 低功率闲置和功率关闭模式9） 4K可重复编程的闪存10） 全静态操作频率0-24MHz11） 1288位的RAM12） 2个16位计数器和定时器13） 可编程的串行通信异步收发通道14） On-Chip模拟比较器二） 基本描述 AT89C4051有4K字节的闪存（可编程可擦除只读内存EPROM）的低电压高效运行的8位微处理器。这个设备通过使用AMTEL的非易失的内存技术和工业标准与MCS-51兼容。 我们通过比较通用的8

16、位CPU和单片集成电路中的闪存可以知道。对于许多的嵌入式控制系统来说，ATMEL的AT89C4051具有更高的灵活性和高效性。 AT89C4051提供下述标准特征：1）4K字节的FLASH闪存 2）128字节的RAM 3）15根I/O线 4）两个16位的定时器/计数器 5）一个5矢量双水平的中断系统 6）一个双向串行通道 7）一个精度模拟比较器 8）芯片中的震荡器和时间电路。此外AT89C4051零频率状态下运行的静态逻辑并提供两个软件节能模式以供使用。Idle Mode闲置方式使CPU停止工作，但允许RAM，计数器/定时器，串行接口和中断系统继续工作。Power Down Mode会保存RA

17、M中的内容，但使震荡器停止工作，并且终止芯片其他功能直至重启。如图-2 所示基本管脚 一） 管脚的基本功能VCC：供电电源GND：接地Port1：端口一是八位双向I/O口。P1.2-P1.7端口提供上拉。而P1.0-P1.1需要外部上拉。P1.0-P1.1常常作为正向输入和反向输入，这两个输入分别在芯片中的精度比较模拟器。端口1输出缓冲能下降20MA，并且可以直接驱动LED显示器。端口1置1，它变为输入，当管脚P1.2-P1.7作为输入并且被外部拉低，那么他们将由于内部的拉阀而作为电流源。端口1同样在闪存编程和修改时接收代码数据。Port3：管脚P3.0-P3.5和P3.7是7根双向I/O口，

18、内存内部上拉阀，P3.6为比较器的输入和输出端口，但不能作为通用的I/O口。端口3的输出缓冲能下降20MA。当端口3被置1，端口3被内部拉阀上拉同时可以被视为输入。作为输入，端口3的管脚被外部拉底，这样端口3将形成I1L，这些均是由内部拉阀所决定的。 同时端口3同样可以作为AT89C4051的各种特殊功能：P3.0：RXD P3.1：TXD P3.2: （作为外部中断0）P3.3：（作为外部中断1） P3.4：T0计时器0的外部输入P3.5：T1计时器1的外部输入RST：输入重置，所有的I/O引脚会被全置为1，一旦RST被置为高电平。如果保持RST引脚为高电平两个周期那么震荡器将会重启。 每一

19、个机器周期等于12个震荡周期或时钟周期XTAL1：震荡转换放大器和内部时钟运行电路的输入端XTAL2：震荡转换放大器和内部时钟运行电路的输出端二） 震荡器的主要特征 XTAL1，XTAL2，分别是转换放大器的输入和输出，转换放大器往往可被作为震荡器使用如图3所示。震荡器可以是石英震荡器也可以是瓷共振震荡器。为了从外部时钟源去驱动这个电路，当XTAL1被驱动的时候，此时XTAL2应该被隔离。我们往往对外部时钟源的工作周期没有太多的要求，因为内部时钟电路往往通过两个连续的分割，但仍然要注意最高电压和最低电压。 图三：震荡器的连接 图四：外部时钟驱动布置图C1，C2=30PF10PF（石英） 或 4

20、0PF10PF（瓷）三） 特殊功能寄存器（SFR） 如同单片机MCS-51中的一样，并不是所有的寄存器地址都被占据。芯片将不会去使用那些未被占据的地址。同样，对这些地址的读取将会被返回随机的地址，同时写操作将会产生不确定性。用户不能对这些未列出的地址进行操作。因为这些地址主要被保留在未来使用以备新的功能，如果那样的话，重置或初始化这些地址将会是零。如表1所示SFR在寄存器中的分布：四） 几种低功率工作方式 1）Idle Mode 闲置方式所谓的闲置方式就是将自身放入休眠状态，而其他所有芯片上的外围设备仍然处于激活状态，这种方式往往通过软件来激活。同时芯片上的RAM和SFR在这种方式下不会改变。

21、这种方式往往通过有效中断或硬件重置电路来结束。 如果没有外部上拉电阻那么P1.0 &P1.1应该被置零，反之应置为一。我们应该注意，如果闲置方式是通过硬件重置方式来被终止的，那么程序会在终止的地址上继续恢复程序的运行，但是在内部程序恢复之前存在两个机器周期，在这种情况之下，内部的硬件会禁止外部对内部RAM的修改,但修改端口却未被禁止。所以为了防止错误的对端口进行写操作当闲置模式终止时，那么我们激活闲置模式的过程应该与我们对端口引脚或外部存储器的激活步骤不一样。2）断电模式 断电模式下震荡器停止，并且激活断电模式的程序是最后一个执行的程序，同时RAM和SFR会保持原来的值直到断电模式结束。硬件重

22、置是结束断电模式的唯一办法，那么硬件重置会重新定义SFR但不会对RAM造成影响。但只有当恢复到正常的工作电压的时候，同时应该保持激活足够长的时间一直到晶振重新启动并稳定后我们才能进行重置。 3)褪色检测 当下降到极限值时，所有端口除了P1。0，P1。1外全部被轻微的上拉，回到原值时，内部重置在15Msec后有效。一般来说褪色检测的电压范围在%，如图5所示 图5第二节： MM74HC244 三态缓冲器的基本结构a) 概述MM74HC244主要采用最先进的的硅门技术中的CMOS技术，具有高速，非逆转性的三态缓冲器。MM74HC244具有高驱动电流的驱动输出，这些强力的驱动在驱动大总线时也能保持高速

23、的运行。且内部电路中的传导速度可以与低功率肖特基持平，但其电路主要还是和CMOS电路有关。MM74HC244是一个非逆转的三态缓冲器，同时拥有两个低电平可使1G，2G分别控制4个缓冲器，同样的这些设备没有施密特触发输入。b) 基本特点1） 基本的传导延迟：14NS2） 对系统总线的三态输出3） 更广泛的电压工作范围2-6V4） 74系列的低静态电源电流5） 输出电流下图6所示为MM74HC244的连接图下表2为管脚的真值表 第三节： 带串行控制8位模数转换器TLC549一） 概述TLC549 是以 8 位开关电容逐次逼近 A/D 转换器为基础而构造的 CMOS A/D 转换器。它们设计成能通过

24、 3 态数据输出和模拟输入与微处理器或外围设备串行接口。TLC549 仅用输入/输出时钟（ I/O CLOCK ）和芯片选择（ CS ）输入作数据控制。 TLC548 的最高 I/O CLOCK 输入频率为 2.048MHz ，而 TLC549 的 I/O CLOCK 输入频率最高可达 1.1MHz 。有关与大多数通用微处理器接口的详细资料已由工厂准备好，可供使用。TLC549 的运用与较复杂的 TLC540 和 TLC541 的运用非常相似；不过， TLC549提供了片内系统时钟，它通常工作在 4MHz 且不需要外部元件。片内系统时钟使内部器件的操作独立于串行输入/输出的时序并允许 TLC5

25、48 和 TLC549 象许多软件和硬件所要求的那样工作。 I/O CLOCK 和内部系统时钟一起可以实现高速数据传送以及对于 TLC548 为每秒 45,500 次转换、对于 TLC549 为每秒 40,000 次转换的转换速度。TLC549 的其他特点包括通用控制逻辑，可自动工作或在微处理器控制下工作的片内采样-保持电路，具有差分高阻抗基准电压输入端、易于实现比率转换（ratiometric conversion）的高速转换器，定标（ scaling ）以及与逻辑和电源噪声隔离的电路。整个开关电容逐次逼近转换器电路的设计允许在小于 17s的时间内以最大总误差为 0.5最低有效位（LSB）的

26、精度实现转换。TLC549的工作温度范围为 0 至 70 TLC549 的工作温度范围为-40 至85 。 表-3 二）特点 8 位分辨率 A/D 转换器 差分基准输入电压 转换时间 17 s Max每次总存取与转换周期数TLC549 高达 40,000片内软件可控采样棗保持总不可调整误差（ Total Unadjusted Error ） 0.5LSB Max 4MHz 典型内部系统时钟宽电源范围 3V 至 6V 低功耗 15mW Max能理想地用于包括电池供电便携式仪表的低成本、高性能应用引脚和控制信号与 TLC540 、 TLC545 8 位 A/D 转换器以及 TLC1540 10 位

27、 A/D 转换器兼容 CMOS 工艺三）基本管脚和内部功能 图-7 c) 基本时序上图-8显示出TLC549的基本时序，本论文主要关心的是CPU在读取Data_out的时序，下面将详细阐述：A. 转换周期需要 36个系统时钟周期（最大为 17 s），它开始于 CS 变为低电平之后 I/O CLOCK的第 8 个下降沿，这适用于该时刻其地址存在于存储器中的通道。B. 在 CS 变为低电平之后，最高有效位（ A7 ）自动被放置在 DATA OUT 总线上。其余的 7 位（A6-A0）在前 7个I/O CLOCK 下降沿由时钟同步输出。 B7-B0 以同样的方式跟在其后d) 基本工作特性二、特性工作

28、温度范围内（自然通风）的极限参数（除非另有说明）+电源电压， VCC 6.5V任何输入端输入电压范围 -0.3V 至 VCC+0.3V输出电压范围 -0.3V 至 VCC+0.3V峰值输入电流范围（任何输入端） 10mA峰值总输入电流范围（所有输入端） 30mA工作温度范围（自然通风），TA ：TLC548C ，TLC549C 0至 70TLC548I ， TLC549I -40 至 85 储存温度范围， Tstg -65 至 150 引线温度，离外壳 1.6mm(1/16 英寸)，10秒 260 + 强度超出所列的极限参数可能导致器件的永久性损坏。这些仅仅是极限参数，并不意味着在极限参数条件

29、下或在任何其它超出推荐工作条件下所示参数的情况下器件能有效地工作。延长在极限参数条件下的工作时间会影响器件的可靠性。详见下表-4：注释 1.在 REF-与 GND 连接在一起的情况下所有电压值均相对于网络地端（除非另有说明）。2.温度低于-40 时，不推荐 D 封装。 3. 大于加至 REF+电压的模拟输入电压转换为全“ 1 ”（ 11111111 ），小于加至 REF-电压的模拟输入电压转换为全“ 0 ”（ 00000000 ）。为了工作良好， REF+电压高于 REF-电压至少 1V 。而且，当此差分基准电压降至 4.75V 以下时，总失调误差可能增加。4. 这是时钟输入信号从 VIHmi

30、n 降至 VILmax 或从 VILmax 升至 VIHmin 所需的时间。在正常室温附近，对于远程数据采集应用（在这些应用中，传感器和 A/D 转换器放在离控制微处理器几英尺远处），在输入时钟跳变时间慢至 2 s 的情况下器件可保持其功能。5. 为了使 CS 端噪声所引起的误差为最小。在响应控制输入信号以前，内部电路在 CS 之后等待内部系统时钟两个上升沿和 1 个下降沿。 CS 建立时间由 ten 和 tSU(CS)这两个指标给出。e) 应用资料简化模拟输入分析利用下面的等效电路，模拟输入电容从 0 充电至 VS （在 1/2LSB 之内）所需的时间可推导如下：电容充电电压由下式给出：（1

31、）其中：离 1/2LSB 的最终电压由下式给出： （2）使式（1）和式（2）相等并求解时间给出： （3）和（4）因此，在给定数值的情况下，模拟输入信号建立时间为（5）此时间必须小于时序图中所示的转换器采样时间。 图-9Vi=ANALOG IN 端的输入电压Vs=外部驱动源电压Rs=源电阻Ri=内部电阻Ci=等效输入电容+ 驱动源要求：源的噪声和失真必须与转换器的分辨率相当在输入频率上 RS 必须为实数f) 基本工作原理四、工作原理TLC548 和 TLC549 都是在单个芯片内的完善的数据采集系统。每一个器件包含内部系统时钟，采样和保持， 8 位 A/D 转换器，数据寄存器以及控制逻辑电路。为

32、了提高灵活性和访问速度，器件有两个控制输入：I/O CLOCK 和芯片选择（ CS ）。这些控制输入和与 TTL 兼容的 3 态输出易于与微处理器或小型计算机的串行通信。器件可在 17 s 或更短时间内完成转换。 TLC548 每 22 s 重复一次完整的输入-转换-输出（ input-conversion-output ）周期， TLC549 每 25 s 重复一次输入-转换-输出周期。内部系统时钟和 I/O CLOCK 独立使用且不需要任何特定的速度或二者之间的相位关系。这种独立性简化了器件的硬件和软件控制任务。由于这种独立性和系统时钟的内部产生，控制硬件和软件只需关心利用 I/O时钟读出

33、先前转换结果和启动转换。内部系统时钟以这种方式驱动转换电路以便控制硬件和软件不需要涉及此项任务。当 CS 为高电平时， DATA OUT 处于高阻状态且 I/O CLOCK I/O 时钟）被禁止。当使用另外的 TLC549和 TLC548 器件时，这种 CS 控制功能允许 I/O CLOCK 与其计数部件（ counterpart ）端共用同样的控制点。当使用多个 TLC548 和 TLC549 器件时，这也用于使所需的控制逻辑端为最少。控制时序已设计成使启动转换与取得转换结果所需的时间和工作为最少。正常控制时序为：1. CS 被拉至低电平。为了使 CS 端噪声所产生的误差为最小，在识别低跳变

34、之前，内部电路在 CS 之后等待内部系统时钟两个上升沿与其后的下降沿。然而，由于 CS 上升沿的作用，即使直到经历了 Tsu (CS)时间，其余的集成电路仍不识别跳变。 DATA OUT 也将在 Tdis 之内变为高阻状态。当器件用于噪声环境中时，这种技术可用来保护器件使其免受噪声的影响。当 CS 变为低电平时，前次转换结果的最高有效位（MSB）开始出现在 DATA OUT 端。2. 前 4 个 I/O CLOCK 周期的下降沿输出前次转换结果的第 2 、第 3 、第 4 和第 5 个最高有效位。在 I/OCLOCK 第 4 个高电平至低电平的跳变之后，片内采样和保持电路开始对模拟输入采样。采

35、样操作主要包括内部电容器充电到模拟输入电压的电平。3. 其后再把三个 I/O CLOCK 周期加至 I/O CLOCK 端，在这些时钟周期的下降沿，第 6 、第 7 和第 8 个转换位被移出。4. 最后（第 8 个）时钟周期被加至 I/O CLOCK 。此时钟周期高电平至低电平的跳变使片内采样和保持电路开始保持功能。保持功能在接着四个内部系统时钟周期内继续进行，在此之后保持功能结束且在下面 32个系统时钟周期内完成转换，总共为 36 个周期。在第 8 个 I/O CLOCK 周期之后， CS 必须变为高电平，否则 I/O CLOCK 必须保持低电平达至少 36 个系统时钟周期以供保持和转换功能

36、的完成。在多个转换周期内CS 可保持低电平。在多个转换周期内使 CS 保持低电平时必须特别注意防止 I/O CLOCK 线上的噪声闪变。如果在 I/O CLOCK 上发生闪变，那么在微处理器/控制器和器件之间的 I/O 时序将失去同步。此外，如果 CS 变为高电平，那么它必须保持高电平直至转换结束为止。否则， CS 的有效高电平至低电平跳变将引起复位，它使正在进行的转换失败。在 36 个系统时钟周期发生之前，通过完成步骤 1 至 4 可以启动新的转换，同时正在进行的转换中止。此操作产生先前的转换结果而不是正在进行的转换结果。对于某些应用，诸如选通（strobing）应用，需要在特定的时间点启动

37、转换。此器件能适应这些应用。虽然片内采样和保持在第 4 个有效 I/O 时钟周期的负沿开始采样，但是直到第 8 个有效 I/O 时钟周期的负边沿之前，保持功能并不开始。它应当开始于必须转换模拟信号的瞬间。 TLC548/TLC549 继续采样模拟输入，直到 I/O 时钟的第 8 个下降沿为止。然后控制电路或软件立即拉低 I/O CLOCK 并启动保持功能以及在所需的时间点保持模拟信号并开始转换。第四节：对RS485串口通信的低功率收发器MAX485一） MAX487的概述 MAX487是专门对RS485或RS422串口通信方式的低功率收发器。每一个部分包含一个驱动和一个接收器，具有较少的回转率

38、，这样便可以减少电磁干扰（EMI）。驱动器的旋转率没有受到限制能达到2.5Mbps.(传输波特率)二） MAX487的基本特点1）在MAX的包中有八个最小的引脚SO2）无错误传输，有限的回转率3）01的低电流关闭模式4）低静态电流1205）-7V12V的普通模式的输入电压的范围6）三态输出7）30nS的传输延时，5nS的上升或下降时间8）支持半双工和全双工的通信模式9）单一5V电源供电10）允许总线上可以有128个收发器11）电流限制，温控关断，实行过载保护特别地，不同于MAX481，MAX485，MAX490。MAX487具有其自身的特点1） 一般只支持半双工的通信模式2） 传输率一般在。0

39、。25Mbps3） 有限的SLEW-RATE4） 支持低功率关断5） 接收或驱动有效6） 静态电流1207） 总线上最多可以挂128个收发器8） 8个管脚由于要对多个电池采集数据，那么需要选择可以挂128个收发器的MAX487。下表-5表示出MAX487直流的基本电气参数三）管脚的基本功能：接收输出。如果AB超过200mV那么RO为高电平,如果AB超过200Mv，RO则为低电平。：接收输出有效。当为低电平时，RO有效。反之，当 为高时RO无效。：输出驱动有效。当为高时，驱动输出Y和Z有效，反之则无效 ：驱动输入。如果为低电平那么将迫使Y为低，Z为高。同样的如果为高电平那么Y为高，Z为低。：非逆

40、转驱动输出：可逆转驱动输出：非逆转接收输入和非逆转驱动输出：逆转接收输入和逆转驱动输出：电源 ：内部未连接四） 基本内部结构 图-10第三章：硬件电路的设计蓄电池测试单元系统框图如下：电压变换电路I/O单RXD片 TXD机I/O通讯站号设置电路B+B-光耦隔离电路485驱动芯片ABA/D在本次设计中，蓄电池电压既是蓄电池测试单元的输入电源，也是测试单元的测量对象。由于蓄电池测试单元采用AT89C4051为CPU，其工作电压为+5V，而蓄电池的电压不能正好达到CPU的工作电压，因此在蓄电池和CPU之间应设置电压变换电路。若测试的蓄电池为12V的规格，则采用普通的三端稳压器即可。而本设计针对的是2

41、V的铅酸蓄电池，因此该电压变换电路为BOOST升压电路，在本次设计中采用后面介绍的MAX756进行升压变换，MAX756是MAXIM公司生产的高效率、低功耗升压型DC/DC转换器，其内置PFM（脉冲频率调制）振荡器、PFM控制器、PFM比较器、软起动电路、电压基准及MOEFET开关管，还具有限流电路。其输入电压范围为0.8V5.5V，输出为5V/3V电压，输出额定电流为200mA。其工作原理为内部MOSFET开关管导通时，外部管脚连接的电感进行储能；内部MOSFET开关管关断时，电感释放能量，在管脚OUT产生高于输入电压的输出，通过电容滤波，得到稳定输出电压。外接肖特基二极管1N5817，使得

42、输出电压不会反回至输入端。由于AT89C4051内部不带A/D变换器，因此在输入端和CPU间设置A/D变换器，考虑到成本和性能的要求，在本次设计中采用价廉物美的串行8位A/D芯片TLC549，其通过AT89C4051的I/O将转换后的数字量以串行方式一位一位传给CPU。上位机与测试单元通过485总线传递数据，因此在测试单元中配置RS485驱动芯片，将CPU的TTL和485电平进行转换。在测试单元中，CPU的电源取自蓄电池，蓄电池的负极即为CPU和测量电路的基准地。而在整个系统中，每节蓄电池配置一个测试单元，显然每个测试单元都是不共地的。而由于它们都通过485总线与上位机连接，即拥有一个共同的4

43、85通讯地，因此在485驱动芯片与CPU之间通过光耦连接。在本次设计中，考虑到成本和性能的要求，采用TLP521隔离串行收发信号RXD和TXD，及485芯片收发的控制信号。考虑到TLP521的反应速率，在本次设计中，串行通讯的波特率定为4800。由于2V蓄电池组成的直流操作电源蓄电池组通常包括102108节蓄电池，而普通的485芯片只能支持32个节点，故本次设计采用前面介绍的MAX487，其能支持128的节点，满足系统的要求。第一节：AT89C4051的基本外部连接 如上图-11所示，CPU正常工作的基本前提是有正常的晶振频率，这里我们选取石英震荡器，基本震荡频率选取11.0951MHZ，这样

44、便能很容易在内部实现4800或9600的波特率。如图所示，石英震荡器与两个电容形成一个外部协振放大器，分别连接外部放大器的输入和输出端XTAL1，XTAL2。 AT89C4051具有P1的双向I/O口，可以对其端口直接读写。P3也是双向I/O口，但是P3口通常用于其他的功能，这样才能完成外部中断，异步，同步通信等要求。我们在第一章已经提到P3口的特殊功能。P3.0一般作为通信的接收端RXD，P3.1一般作为通信的发送端TXD。 同时我们还必须考虑到CPU还必须具有处理外部中断的要求，在这样的前提下，我们通常将P3.2设为（作为外部中断0）P3.3（作为外部中断1）。此外我们还将P3.4设置为T

45、0计时器0的外部输入，P3.5为T1计时器1的外部输入。 这样我们可以确定出，我们可以把P1端口作为读取蓄电池站号的双向端口。根据要求，我们需要对256个蓄电池进行巡检，那么显然我们需要安排8位二进制数来代表这256个电池的站号。那么我们需要8根I/O线来读取这些站号，但现实是P1口只有8根I/O线，但是我们还需要对片选（TCS），外部时钟信号（CLK）作出定义，最为重要的是我们还必须安排一根I/O线对采集的电池的电压信号进行读取。所以看起来8根I/O线是远远不够的。 第二节：三态缓冲器与拨码开关的连接以及CPU的控制为了解决这种状况，我们可以只安排4根I/O线对74HC244中的站号进行读取

46、。根据需要可以用P3.7来控制先读取高四位，还是低四位。根据上图，当P3.7=1，与P3.7直接相连为高。此时V5截止，直接接地，为低电平。由于和全部是低电平有效，所以无效而有效。如图-6中的三态缓冲器内部结构74HC244所示，我们很容易分析出2A1-2A4有效，在我设计的电路图中表示低四位通而高四位被屏蔽。反之，当P3.7=0则是低四位屏蔽，高四位通。我们只要根据需要来选择P3.7的值便可以选择先读高四位还是先读低四位。如下图-12所示： 我们可以定义1A1对应站号值的最高位，依次2A4对应最低位。当我们拨上拨码开关时，对应的位为0，未拨上的位为1。组成二的进制数恰好是实际站号的求反。我们

47、只要通过软件逐位求反即可。这样我们便可以将站号顺利地送入三态缓冲器74HC244中。第三节：8位模数转换器TLC549的外部硬件连接如下图-13所示，与地相连，通过TL431与VCC相连，从而构成一低一高的参考电压，此为逐次逼近式的重要条件。中接受由CPU给出的时钟信号。由上面的章节我们可以知道在 CS 变为低电平之后，最高有效位（ A7 ）自动被放置在 DATA OUT 总线上。其余的 7 位（A6-A0）在前 7个I/O CLOCK 下降沿由时钟同步输出。 B7-B0 以同样的方式跟在其后。同时由前面的分析我们可以发现，前 4 个 I/O CLOCK 周期的下降沿输出前次转换结果的第 2

48、、第 3 、第 4 和第 5 个最高有效位。在 I/OCLOCK 第 4 个高电平至低电平的跳变之后，片内采样和保持电路开始对模拟输入采样。采样操作主要包括内部电容器充电到模拟输入电压的电平。其后再把三个 I/O CLOCK 周期加至 I/O CLOCK 端，在这些时钟周期的下降沿，第 6 、第 7 和第 8 个转换位被移出。最后（第 8 个）时钟周期被加至 I/O CLOCK 。此时钟周期高电平至低电平的跳变使片内采样和保持电路开始保持功能。这里的CS为低电平有效，当CS为零时。这时TLC549便开始工作。AIN为模拟信号的输入端口，电池的模拟电压信号通过这个端口进入TLC549开始转换。但

49、是需要特别注意的是AIN是有一定的电压范围的。但是我们必须根据实际要求去选择测量蓄电池的值，所以当电池的电压大于AIN所能承受的电压时，我们必须采用电阻分压的办法来减少输入AIN中的电压。 图-13由上面的章节我们知道，输入电压的高电平控制电压，。如上图所示，我们可以得公式：，所以我们DOUT得到的数字信号并不能代表真实的电池电压的数字信号，所以必须在软件程序中进一步做还原处理。具体的处理方法将会在下一章的程序设计中详细阐述。第四节：升压芯片MAX756和通信收发器MAX4871) 使用DC/DC升压电路的必要性 我们知道一般的CPU的供电电源一般都要5V，通常的做法是用电力电子系统对外部工业

50、220V的工频电源进行变流，需要AC/DC的降压电路，如果每个检测装置配备一个电源这样无疑成本和体积便会大幅度的提高。 如果可以因地制宜的对我们所需要测量的电池进行利用，通过一个很小的DC/DC升压芯片，我们便可以很容易的得到5V的CPU电源。具体见下图-142) 通讯的硬件电路 通讯主要采用RS485的异步全双工串行的通讯模式，通常采用的通讯格式为从低位到高位依次为：起始位，数据位，校验位，停止位。校验位主要用于检验看发送的数据是不是和规约中的一致，如果一致，则发送数据，表示一次发送和接收成功。我们这里主要用比较简单的和校验。这里我们有RXD（接收数据）和TXD（发送数据）不需要用一根通讯线

51、来实施分时操作。但CPU接收到上位机发送来的数据（主要包含和校验，站号信息的数据）和下位机的规约中的站号，如果一致，那么数据可以通过TXD发送应答信号（主要包含和校验，以及通过处理后的电池电压值）。 通讯中也有共地的问题，MAX487需要和被测量的电池采用一个地。然而电池的测量地是不断变化的，显然将所有电池的负端作为共公地连起来将会引起短路。所以采用光耦隔离将所有电池的测量地共起来和MAX487共地。 C485主要是用来控制发送和接收的。MAX487中的(Receive Enabled)表示接收出有效。当为低电平时，RO有效表示可以接收。反之，当 为高时RO无效。(Driver Enabled

52、)表示输出驱动有效。当为高时，驱动输出Y和Z有效则发送数据（TXD），反之则无效。 图-15通过上位机的显示功能或远程通讯功能，我们能很快的发现工作不正常的电池。进一步的,我们可以让电池的站号在一段时间内不断变化,那么不断给下位机发出递增的电池的站号,这样0-255号蓄电池的电压便能依次通过下位机的应答上传到上位机,这样反复便可以实现对所有蓄电池的巡检,从而及时的发现任何一个不正常工作的蓄电池.下面附上整个硬件电路设计图:第四章:蓄电池巡检仪的软件设计第一节：蓄电池站码的读取的程序一般地，我们在程序的初始化的时候就应该运行这个键值读取程序。这个键值对整个程序都有效。 void read_key

53、(void) / 读取键值的程序 P3_7=1; /如果P3_7=1读取低四位 if (P1_7=0) key=1; if (P1_6=0) key=key+2; if (P1_5=0) key=key+4; if (P1_4=0) key=key+8; P3_7=0; /如果P3_7=0读取低四位 if (P1_7=0) key=key+16; if (P1_6=0) key=key+32; if (P1_5=0) key=key+64; if (P1_4=0) key=key+128; 前面我们已经讨论过，只有四根I/O线，但是要处理八位数据，所以必然要实行分时处理。如果P3_7=1那么高

54、四位屏蔽，低四位通，反之如果P3_7=0那么低四位屏蔽，高四位通。在这个程序中，我们选择从低位读到高位。 一般读取八位二进制数有两种办法，一种便是读一位，移一位。由于C语言中，在移一位的同时最高位或最低位将会被移出，所以可能要采取保护措施，譬如采用先采取一个或操作来保存最高位或最低位。这样操作可能比较难懂。为了使程序更加清晰，我们通常采用先判断某一位是否为1（这里由于硬件电路用0表示开关拨上所以判断是否为0），如果是则加上相应的权值。譬如：if (P1_6=0) key=key+32;这里P1_6表示第六位，所以加上32的权值。第二节：A/D转换值的读取void readd_out(void)

55、 /*读取D-OUT值的程序*/ uchar i;Ulong num; /可能超过16位，所以定义为长型CLK=0; /先给出低电平TCS=0; /片选信号，低电平有效hhh=0; /空操作延时hhh=0;num=0; / num先清零for(i=0;i8;i+) CLK=1; /在CLK的下降沿将值读出 hhh=0; / hhh为空操作，延时 hhh=0; if(Dout=1)num +=AD_Biti; /开始定义了CONST数组放权值 CLK=0; hhh=0; hhh=0;TCS=1; /取消片选CLK=1;num=num*1312/935; /得到的二进制电压数据的修正 XY0=nu

56、m/1000; /转换直观的BCD码 XY1=num%1000/100; XY2=num%100/10; XY3=num%10; 在读取DOUT时，由于是一位一位的读取的，那么由我们在程序开始定义的常量const uchar AD_Bit8=128,64,32,16,8,4,2,1;可知，读取从最高位开始。在每一个CLK的下降沿数据读出。 在前面的分析中我们可以知道，我们所测量的数字八位二进制的数字电压信号并不是真实的蓄电池的电压值，而是经过分压后产生的值，此外我们的TLC549采用的是逐次逼近式的A/D转换，所以转换的值还与参考电压值有关。由公式可知，同时将2。5V的电压分成256份，逐次逼

57、近。我们可以很容易得到num=num*1312/935，这里的NUM为实际的蓄电池电压值。第三节： 串口中断和定时器中断 1） 关于定时器中断，我们这里产生中断的定时器主要采用定时器0的方式1，寄存器2，TR1在初始化中置1开通C/T中断结束硬件自动清零。void Time0(void) interrupt 1 using 2/定时器0中断,中断1，用寄存器2 Flag_50ms=1; /定义标志位50 ms中断一次TH0=0x4c; /定义定时器的初值与初始化一致TL0=0x00; 2） 关于串口中断，我们已经在初始化中定义了PS=1，表示了串口中断的优先级。如果Flag_rx=1表示接收标

58、志位为1，那么表示开始接收（RI=1），从而调用串行口中断。如果Flag_tx=1，表示开始发送（TI=1），再次调用串行口中断。RI，TI不能硬件清零，所以我们必须对其软件清零。具体程序如下：void SBUF_Int(void) interrupt 4 using 3/ 51串行口中断if (RI=1) /如果接收标志为1RI=0; /软件清零Rx_BufferRx_Ptr=SBUF; /值载入接收缓冲区Rx_Ptr+; /指针累加SBUF_Rx_process(); /调用规约程序看接收的与规约是否一致if (TI=1) /如果发送标志为1TI=0; /软件清零if(Tx_PtrTx_T

59、ail) /如果发送指针小于尾指针SBUF=Tx_BufferTx_Ptr; /值载入发送缓冲区Tx_Ptr+; /指针累加else k487=0; / 数据发送完,Max487转入接收状态具体程序见附录：第四节： 电池巡检仪通讯规约上位机与蓄电池测试单元通过485总线传递数据，其串行通讯参数如下：波特率为4800，数据位为8位，停止位为1位，无奇偶校验。同时其在传递数据过程中应遵循一定的数据格式，即系统中所有的通讯单元按事先约定的通讯规约进行数据发送和接收。由于RS485为半双工，故本系统采用召唤应答式规约，格式如下：1召唤召唤命令举例： dc 开始标志 20 dc 20 1a 命令码 00 01 辅助命令码站号(1-255)和校验码（为开始标志到站号的和的低8位）20dc2应答格式为： dc 开始标志 20 dc 20 00 1a 命令码 01 辅助命令码 站号(0-255) 电